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水下机器人领域出不来一个大疆?
2019-07-10 15:30

水下机器人领域出不来一个大疆?

文章所属专栏 前沿技术情报所

“这个行业其实并没有大家想的那么高大上。博雅工道在今年上半年就一改以往的水下机器人的称号,全部把称谓改成叫海洋装备公司,去聚焦深海作业、海洋测绘、海底侦查、海洋防务这样的比较实的业务。”熊明磊这样对虎嗅精选表示。他觉得这样可能更实际一些。


确实如此,熊明磊是毕业于北大的博士,其实可以看看北大同学戴威这些年创业的起落,可以发现,还是踏踏实实把产品和运作做好才是最重要的。


这对水下机器人行业也很重要,这个行业还有太多的未解难题需要去突破。

 

当下瓶颈主要在供给端

 

熊明磊讲了他看的一个案例:在一个海上风电项目,海上风电站电机还在挂着,水下电缆断裂,叶片还在转,但电供应不上来。项目方找了国内团队去检测,但问题解决不了,最后找了挪威的团队,结果挪威团队一上来就给修好了,而且问题解决得非常漂亮。让国内团队郁闷的是,别人都把问题解决了,国内团队还不知道工程的问题出现在哪里,还需要接着研究

 

这印证了行业的普遍判断:水下机器人有这么多应用场景,前景应该乐观。不过目前行业还在发展的早期阶段,下游这些场景都有需求,但前提是你的水下机器人产品要能满足需求、解决问题才行。例如上文提到的大坝检测、海底养殖巡航等场景,带给客户的价值有限。


现在水下机器人市场的瓶颈还是在供给侧。这与消费电子领域不同。智能手机等产品,即使性能已经满足用户的大部分需求,但市场还是很难出现爆发增长了,因为瓶颈主要在需求端。

 

业内人士认为,未来行业会增长到什么程度,其实取决于行业解决问题的能力。魏建仓对虎嗅精选表示,你的设备到底能够给人带来什么,这个很关键。在水下,还有太多事人类做不了,待水下机器人产品能做,市场很快能打开——如水下能源的勘探与开发、水下复杂工程的作业等。当然,这其中还需要价格、人才、市场启蒙等因素的配合

 

水下机器人行业门槛极高,是一个苦活、累活加高智能的活,去积累解决技术问题和产品问题的经验,是发展的关键。我国开发春晓油田的时候,花了大价钱请了荷兰的水下装备公司来作业,用的就是“船+水下机器人”的形式,国内的企业就是做不了。

 

深之蓝的水下机器人在潘家口水库失踪潜水员搜救过程中起到了很大作用,找到了潜水员失事的位置。但机器人还没有能力搭载机械手把人捞上来。这个过程现在对于水下设备来说还是太复杂了。因此还需要潜水员下到水底去捞人,甚至还需要潜水员在复杂环境下给机器人开路。从这个案例看,水下机器人作用有限。

 

技术难度大,运营重,量产难

 

水下机器人行业到底是被哪些问题卡了壳?


先看技术方面——


水下机器人相关的部分技术(资料来源:天津深之蓝)

 

魏建仓向虎嗅精选罗列了一系列技术难点:

 

  • 水里的流体线性系统很重要,因为水里要克服的是阻力,不是像空中无人机那样需要克服重,然而流体力学的成熟度要远远低于空气动力学;

  • 导航定位系统很重要,在水里要知道机器人在什么位置;

  • 姿态系统也很重要,水下机器人要稳得住才能获得清晰的图像;

  • 动力系统就更重要了,要有推进器,才能在水中前行;

  • 能源系统需要解决,在水里都是要电池供应,要考虑怎样实现更长时间的水下作业;

  • 载荷系统,这决定了水下机器人能负重多少,而负重多少往往又决定了水下机器人到水里能做哪些事。如果是观测、拍摄,载荷可以很小。如果是海油工程等工业应用,就需要很大的载荷能力了;

  • 应急系统,即一旦出现问题,怎么保证系统安全。这里需要有应急抛载系统;

  • 密封和抗压性也很关键。在水下不能让水浸入系统,不能被水底的高压强将机器压坏。

 

资料显示,在2014年,美国标志性的水下机器人产品、马萨诸塞州伍兹·霍尔海洋研究所设计建造的“海神”(Nereus)号深海潜水机器人,在新西兰东北部的克马德克海沟探险时,下沉到万米的海底,海水压力高达1125万公斤/平方米,机器人因水压太大遭挤碎,意外“殉职”。这也表明,即使在水下技术强国,实现水下安全作业也是个难题。


魏建仓认为,行业现在急需突破的点在于导航定位和水下通信技术。当下的情况是,高带宽的无线通信还没有,带宽不够,无法实时传输视频。这需要实现突破才能形成更大的市场价值

 

如果有线缆与母船相连,可以传输视频,但作业范围就要受影响。如果没有线缆与母船连接,就无法传输实时的水下视频了。资料显示,在水下,电磁波传输效率很低,在水中衰退严重,因此我们在陆地上的4G、5G通信,在水里不能使用。现在水下通信技术主要是光纤通信、水声通信等。

 

水下控制也需要进一步突破。尤其是水流流速较高的时候,水下机器人要保持平衡并不容易。魏建仓认为现在水下控制技术已经有技术路线,未来通过不懈的努力可以实现比较好的控制。这里面的重点是对流体的了解,对海上实验经验参数的积累,如果得到了这些边界条件,控制系统会变得更好,但边界条件的获取确实也很难


熊明磊也表示,水下定位的设备,包括扫描设备、超短基线、USBL、水声通信等,与国外的差距还比较大。国内刚开始关注这个领域,有一些公司专攻水下通信领域,如深圳智慧海洋等。另外国内企业在水下通讯、运动控制、定位导航、载荷能力等方面的工作不是一朝一夕可以完成的,需要技术的传承与更新。


除了技术的突破,还需要将技术产品化,这就要有高质量零部件的配合。遗憾的是,现在水下机器人相关的零部件发展也不尽人意。

 

魏建仓对虎嗅精选表示,核心零部件方面,现在消费级产品国内企业大体上可以实现自给自足,但在军事和工业领域,核心零部件的能力差距还很大,很多零部件对中国是禁运的,如小型水下声呐、水上测量系统等,而国内也还没取得这些零部件的突破。


熊明磊认为,在锂电池方面,国内问题不大。但是传感器几乎都得用国外的产品,现在国内能做好传感器的公司没多少,甚至可以说一塌糊涂,具体表现为,传感器精度差,品类不全,价格贵,交货周期又不保证,质量不稳定。

 

另外熊明磊觉得高性能的推进器国内没有几家让人满意的。其实国内能做推进器的公司很多,在海洋经济较发达的山东有不少小公司都在做推进器,但功率比较低,质量也不稳定。能做出高精度的推进器其实还是有难度的。我国自行设计、自主集成研制的载人潜水器“蛟龙号”(曾下潜到7062米的深度),推进器的一些金属件的加工都是国外加工的。另外比较先进的磁耦合推进器也是技术难点,里面在转,通过磁的磁力带着外面转,这时候密封是个问题。不能通过传动轴转的话,水就进来了,密封不了,磁耦合推进器还需要挺大的技术攻关。

 

从终端的产品来看,国内的产品的局限性很大程度上体现在负载能力上,国内产品主要集中在小公斤的工业级水下机器人,那种上百公斤甚至几百公斤的大型水下装备,国内要赶超起来比较困难。

 

除了这些技术难点,其实还有一个运营方面的难点,即水下机器人操作员的缺乏。我们都知道培养一个飞行员很难,成本可能在百万以上。培养一个水下机器人操作手难度与培养飞行员的难度不相上下(培养飞行员成本在百万以上),毕竟水下设备是一个非常精密的仪器,而水下控制又很难完美,这就对操作员提出了很高要求,需要反复去试,培养经验,形成操作的感觉。现在行业里合格的操作员还很少,需要水下机器人公司对客户的员工进行培训,或者由公司派人去现场操作。这也影响了行业的快速普及。而对操作员的培训也在成为水下机器人公司的营收来源之一。

 

行业要规模化,还需要解决量产这个巨大瓶颈。一方面,由于应用场景细小又繁多,行业要标准化交付比较困难;另一方面,对企业的能力要求高,需要搞定供应链,要么有自研能力,要么搞定供应商,在零部件上有稳定供应。另外,魏建仓表示,工厂要自建,产线要自建,检测线要自建,这些都会是壁垒。


这样,从底层技术,到零部件,到终端产品,水下机器人行业都还有太多的点需要去突破。

 

来自国外的几座“大山”

 

“最近中车收购了一家国外的海洋装备公司,而且他们刚从国外运了两台大设备在上海放着,马上要开新品发布会,这对整个行业都是震动。”熊明磊向虎嗅精选表达了对国外水下机器人竞品的担忧。


确实,国内水下机器人行业起步晚,跟海洋经济强国相比,国内企业还要走较长的路。

 

国外水下机器人领域是怎样的境况呢?综合业内人士的观点,瑞典、挪威、荷兰、英国、美国等国在水下装备领域有相对优势,我国还处在一个追赶的阶段。某种程度上有点像汽车工业,国内企业也在进步,但无奈跟外国有发展差距,而且国外企业也在进步,想要赶超并不容易。


美国的水下机器人产业

 

美国是当仁不让的水下强国。ROV的雏形就是上世纪五六十年代在美国先出现的。当时几个美国人把摄像机封装起来,配合潜水器送到海底,这成了ROV的雏形。而后在六十年代,美国研制成功了世界上第一台ROV─“CURV1”,该ROV与载人潜器配合,在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹,引发轰动,也带来ROV技术的兴起。到七十年代,ROV在近海油气开发、打捞、军事等领域获得广泛应用。行业起步,学界、产业界、军方都有广泛研究,产品也愈加丰富。

 

美国VideoRay公司就是这个领域比较专业的公司。这家公司成立于1999年,历史要比国内水下机器人公司长很多,总部位于美国宾夕法尼亚州波茨敦市,从交付规模来看,是世界上最大的ROV生产商,已经总计交付超过3750台系统,这么多的项目经验,国内企业还只能望其项背。其产品非常齐全,涵盖入门级、专业级、任务专家序列三种,不同型号超过10余个,另外有测绘传感器、定位系统、脐带缆及收放系统、声呐系统、光学组件等核心零部件产品。


其最先进的专家序列水下机器人,最大耐压深度可达2000米,使用独有的即插即用推进器,理论上可在系统上安装255个推进器,每个推进器可提供最大10.8的推力,可以装载机械手、无损检测工具、空化清洗机、取样器、未爆弹药破坏装置等进行作业。


在我国,VideoRay也曾获得过海底养殖、核电站水下监测、海底水质监测等多领域的订单。

 

另外,美国Hydroid公司、Nekton公司、Teledyne Benthos公司等,也是比较专业的水下机器人公司。

 

大公司中,波音、洛克希德马丁也有水下机器人相关的业务。据魏建仓介绍,洛克希德·马丁从美国国防部拿了98亿美金的水下设备研发合同,其他不知道的合同可能更多。

 

实际上波音从上世纪六十年代就开始研究水下机器人,由于多与军方合作,所以披露不多。比较知名的产品包括的“回声”级游骑兵号(Echo Voyager)和搜寻者号水下机器人。这些水下装备都是庞然大物,Echo Voyager有15米长,重50吨,下潜深度可达三千多米,可在海底游走几个月,实现侦测监视等功能。


波音Echo Voyager


洛克希德·马丁是众所周知的与美国军方合作紧密的公司,常被戏称为地球上最强大的公司。除了炫酷的战斗机,这家公司其实还有水下机器人产品,当然也是与军方合作。


例如,美国军方的水下遥控探雷系统就是洛克希德·马丁研制的。洛克希德·马丁公司还参与了美国特种作战司令部的浅水作战潜艇(DCS)计划,设计了一种经济实惠的小型潜艇,能够秘密运输海军海豹突击队等特种作战运动员,此外还拥有海军远程多任务潜水器的经验,可用于美国海军濒海战斗舰上的对抗战。洛克希德·马丁还与波音一起纳入各种大型无人潜航器(UUV)项目,如大排量无人水下航行器(LDUUV)项目等。

 

欧洲的水下机器人产业


在中世纪,北欧是出海盗的地方。到了现代,北欧国家也是海洋经济强国。挪威的康斯博格(kongsberg)和瑞典的萨博,虽然不是只做水下装备的公司,但在水下装备方面非常有实力。


康斯伯格是从事海事、防务领域的尖端科技企业,以研发海洋油气、渔业、海运等领域自动检测控制系统著称。在水下机器人领域,也有不少出色的产品,如水下蛇形机器人,可以取代船只,进行检查、清洁和调节阀门大小及清理管道堵塞等水下清理工作。这家公司的REMUS 100产品,可以完成从搜集海洋研究机构所需要的各种数据,到水雷对抗任务等很多军事用途。

 

REMUS 100


水下蛇形机器人

 

萨博这家公司大家都很熟悉,可谓命运多舛,被卖来卖去,但这家公司的技术一直为人所称道。在水下机器人领域,萨博的Seaeye系列的商业遥控潜水器产品,可以在准确位置定位和识别码头、港口或者海湾的简易爆炸装置。

 

法国ECA集团、英国潜水器制造商Planet Ocean等也都是欧洲比较专业的公司。此外在零部件方面,上文也已经提到,在小型水下声呐等关键零部件上,国外企业也有优势。

 

相比之下国内的水下机器人公司还在创业初期,实力在增强,但跟国外的差距,需要时间去弥补。熊明磊判断,在国内企业紧赶慢赶的情况下,与国外企业平起平坐,至少需要五到十年的时间。

 

行业爆发,需要技术突破+深入应用场景找到自己主打的行业

 

跟国外知名公司有差距是现实,国内水下机器人行业要做到,也只能是提升技术能力,在应用场景中扎根,去解决现实世界里的问题。

 

现在水下机器人领域有超过200家公司。熊明磊判断,现在市面上这么多家公司,到最后可能只剩下四五家,这四五家公司在核心零部件和整体产品上有优势。只有在关键零部件上实现国产化,或者能在国外拿到特别好的资源,才能在这个市场做得下去,否则就得出局。剩下大部分公司都会变成做行业的集成商。


现在行业里的一些代理商已经在转型集成商,做得也很有特色,比如以前做防汛抗旱的、卖帐篷的公司,防汛的时候有用到水下机器人,这些公司慢慢就变成小集成商——做水质监测的、水分析仪的公司,也开始搭一些这种东西去卖。

 

另外,熊明磊觉得,现在水下机器人领域正在走空中无人机的路子,也就是大家越来越聚焦,打细分行业,让产品越来越接地气。未来每家能够生存下来的公司都会有自己擅长的应用领域。而行业里比较大规模的公司,其增长可能会来自于对细分领域龙头的并购。

 

博雅工道现在主要聚焦的是水下的检测领域,包括大坝、水池、水下管道等场景,用熊明磊的话说,干的都是苦活累活。在收入方面,按照检测面积收费。熊明磊称,现在这块的业务量很大,几乎天天有客户咨询相关的业务。

 

未来理想的水下机器人形态,应该是高度的智能化。魏建仓和熊明磊都认同这一点。以海底养殖为例,水下机器人的作业效率和作业精度至少要达到蛙人的程度,才能彻底把这块市场打开。水下机器人要能够自主作业,不需要人在上面操控,机器人自己扫描了一亩地之后,知道这块区域有500个海参,那块区域有500个海胆,其中哪些海胆能捞,哪些海胆不能捞,哪些海参个头够了,哪些还没够,然后进行捕捞。自动化水平到这种程度,而且又能下潜到足够深度,那就是水下机器人真正的突破了。现在离这种成熟的水平还很远,机器人只能下到水里帮人看一看,代替人进行水下作业还不行。

 

要实现产品的能力提升,以及行业的爆发,技术的突破是绕不开的一环。技术上进步了,产品性能上去了,才能满足下游客户的需求。同时也只有技术进步了,才有望逐步降低研发与成本。技术突破又是最难的一环,因为不是砸钱就能解决技术的难题,也不是随便努努力就能成功突破技术局限。技术上的成熟需要一点一点地去实验去积累,是个慢活。

 

魏建仓认为,解决水下机器人领域存在的问题,是一个系统性的问题,经验的积累非常重要。推进系统、电机、减速机、驱动控制器、桨机配合等技术,都是实实在在的,产品是所有的细节组成的。整个过程中使用的经验、细节模型的建立,都是难点。任何一个产品都是一个技术状态矩阵,这个技术状态矩阵的关键点在哪里,企业要清楚。另外,这个关键点的其他辅助参数要清楚。搞清楚的过程没有捷径。需要在服务客户的过程中去发现问题、解决问题,而产品一旦触及到了人们的使用感受和需求,给人们非常良好的感觉的时候,市场自然而然就会起来。

 

在魏建仓看来,提升水下机器人的能力,关键在于面向客户,在面向客户的过程中会遇到无数的难题解决不了,这个时候出现的状态就是要么解决掉它,要么公司死掉,每一次进步都是死磕过来的。

 

比如减速机这个零部件,要把高转速低扭矩变成低转速大扭矩,实现这个过程的关键就是齿轮,跟深之蓝竞标的美国企业,齿轮寿命可以达到60个小时。而深之蓝的齿轮产品一开始做成后发现只有不到10个小时的寿命,甚至不到3个小时就不行了,为了改进,要做的就是不停的实验,魏建仓提供的数据是做实验上千次,一开始总是失败,因为涉及到材料的问题,包括选用什么样的材料,采用什么样的工艺,加工的精度在什么程度上,装配的时候需要什么工装卡具,这些细节都要不断去试。最终深之蓝的齿轮超过了60个小时的寿命标准,就是上千次的试验后试出来的。

 

而每个核心零部件都要去突破,难度可想而知。减速器只是一方面。还有很多基础的技术与零部件产品需要突破,水下机器人是一个系统工程,每个点都需要去解决。


技术和产品逐步成熟之后,需要解决量产的问题,需要不断降低产品的价格,需要向客户推介产品,需要有完善的售后体系,这是商业化方面遇到的挑战。

 

无论是技术还是商业化方面,国内水下机器人公司都还在一个积累的阶段。而这个领域与我们所熟知的互联网、AI等技术公司不同,水下机器人技术是硬核技术,主体是硬件产品的研发制造,难度更大。


在比特世界里我国可以快速进行迭代与代码更新,而原子世界的进步,是一次次的产品实验将经验建立起来,将参数优化确定下来,将材料与工艺成熟化,将供应链稳定下来。这样无疑也意味着国内的水下机器人公司任重道远。

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